(Luận văn thạc sĩ) thiết kế bộ nghịch lưu cho máy phát điện đồng bộ năng lượng gió công suất nhỏ hòa lưới điện quốc gia

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
HỒNG VĂN BÌNH

THIẾT KẾ BỘ NGHỊCH LƯU CHO MÁY PHÁT ĐIỆN
ĐỒNG BỘ NĂNG LƯỢNG GIĨ CƠNG SUẤT NHỎ
HỊA LƯỚI ĐIỆN QUỐC GIA
S

K

C

0

0

3

9

5

9

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 605250

S KC 0 0 4 2 3 2

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 4 năm 2014


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
HỒNG VĂN BÌNH

THIẾT KẾ BỘ NGHỊCH LƯU CHO MÁY PHÁT ĐIỆN
ĐỒNG BỘ NĂNG LƯỢNG GIĨ CƠNG SUẤT NHỎ
HÕA LƯỚI ĐIỆN QUỐC GIA

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 605250
HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. LÊ CHÍ KIÊN

Tp. Hồ Chí Minh, năm 2014


LÝ LỊCH KHOA HỌC
I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC:
Họ & tên: Hồng Văn Bình

Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 29/09/1985

Nơi sinh: Nam Định

Quê quán: Ý Yên – Nam Định

Dân tộc: Kinh

Địa chỉ liên lạc: ấp Vườn Dừa, xã Phước Tân, TP Biên Hòa, tỉnh Đồng Nai
Điện thoại liên lạc: 0902.071.830
E-mail:
II. Q TRÌNH ĐÀO TẠO:
1. Đại học:
Hệ đào tạo: Chính qui

Thời gian đào tạo từ 09/2004 đến 06/ 2009

Nơi học (trường, thành phố): Trường Đại Học Công Nghiệp TP.HCM
Ngành học:Kỹ thuật điện
Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Tính tốn thiết kế nhà máy thủy điện.
Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp:22/4/2009
Người hướng dẫn:Th.S. Nguyễn Thanh Quang

III. Q TRÌNH CƠNG TÁC CHUN MƠN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP
ĐẠI HỌC:
Thời gian

Nơi cơng tác

Cơng việc đảm nhiệm

2009-nay

Sở Khoa học và Công nghệ Đồng Nai

Chuyên viên

Page i


LỜI CAM ĐOAN
Tơi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố
trong bất kỳ cơng trình nào khác
Tp. Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2013

Hồng Văn Bình

Page ii


LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến thầy TS. Lê Chí Kiên, người đã tận tình
hướng dẫn và giúp đỡ tơi trong suốt q trình thực hiện quyển luận văn này.
Tôi xin chân thành cảm ơn đến thầy TS. Trƣơng Việt Anh trường Đại Học Sư
Phạm Kỹ Thuật TP.HCM đã tận tình nhận xét và đóng góp nhằm hồn thiện luận
văn.
Tơi xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trong khoa Điện- Điện Tử trƣờng Đại Học
Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP.HCM, các cán bộ phòng Đào Tạo đã giúp đỡ tơi rất nhiều
trong suốt q trình học tập và trong q trình hồn thành quyển luận văn này.
Tôi xin cảm ơn các bạn bè và đồng nghiệp đã giúp đỡ, động viên và tạo mọi điều
kiện để tơi hồn thành luận văn này.
Cuối cùng tơi xin chân thành cảm ơn cha mẹ và ngƣời thân đã luôn ở bên tôi và

động viên tôi rất nhiều để tơi hồn thành khóa học này.

Hồng Văn Bình

Page iii


MỤC LỤC
LÝ LỊCH KHOA HỌC ............................................................................................. i
LỜI CAM ĐOAN ..................................................................................................... ii
LỜI CẢM ƠN .......................................................................................................... iii
TÓM TẮT ................................................................................................................ iv
MỤC LỤC ................................................................................................................ vi
MỤC LỤC CÁC HÌ NH .......................................................................................... ix
Chƣơng 1: GIỚI THIỆU
1.1 Đặt vấn đề ............................................................................................................1
1.2 Mục tiêu và nhiệm vụ ...........................................................................................3
1.3 Phạm vi nghiên cứu ..............................................................................................3
1.4 Phương pháp nghiên cứu......................................................................................4
1.5 Điểm mới của luận văn ........................................................................................4
1.6 Giá trị thực tiễn của luận văn ...............................................................................4
1.7 Nội dung của luận văn..........................................................................................5
Chƣơng 2: TỔNG QUAN
2.1 Tổng quan về năng lượng gió ...............................................................................6
2.1.1 Lịch sử phát triển máy phát điện gió...............................................................6
2.1.2 Năng lượng gió thế giới ..................................................................................9
2.1.3 Năng lượng gió Việt Nam và tiềm năng phát triển năng lượng gió .............11
2.1.3.1 Năng lượng gió Việt Nam .......................................................................11
2.1.3.2 Tiềm năng phát triển năng lượng gió cơng suất nhỏ tại Việt Nam .........17
2.2 Tổng quan về hệ thống chuyển đổi năng lượng gió ............................................18

2.2.1 Các thành phần của một hệ thống chuyển đổi năng lượng gió .....................18
2.2.2 Các loại hệ thống chuyển đổi năng lượng gió ..............................................19
2.2.2.1 Hệ thống tubin gió cố định......................................................................20
2.2.2.2 Hệ thống tubin gió tốc độ thay đổi biến đổi tồn bộ cơng suất ..............21
2.2.2.3 Hệ thống tubin gió tốc độ thay đổi biến đổi một phần công suất ...........22

Page vi


2.3 Tổng quan về các kiểu turbine gió ......................................................................23
2.3.1 Turbine gió trục đứng và trục ngang .............................................................23
2.3.2 So sánh turbine trục đứng và trục ngang.......................................................24
2.4 Tổng quan về kết nối máy phát điện gió với lưới điện phân phối ......................26
2.4.1 Tính cần thiết của việc kết nối máy phát điện gió vào lưới điện phân phối .26
2.4.2 Hịa đồng bộ hai máy phát. ...........................................................................27
2.4.2.1 Hòa đồng bộ hai nguồn áp. .....................................................................28
2.4.2.2 Phân tích các điều kiện hịa. ....................................................................30
2.4.2.3 Hịa đồng bộ một nguồn dòng vào một nguồn áp. ..................................33
2.5 Hướng nghiên cứu của luận văn. ........................................................................35
Chƣơng 3: KHẢO SÁT VÀ TÍNH TỐN
3.1 Năng lượng gió và cơng suất tubin .....................................................................36
3.1.1 Năng lượng gió..............................................................................................36
3.1.2 Hiệu suất tubin gió ........................................................................................39
3.1.3 Đường cong hiệu suất tubin gió ....................................................................42
3.2 Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG) ........................................45
3.3 Mạch chỉnh lưu....................................................................................................48
3.4 Mạch nghịch lưu kết nối lưới điện phân phối .....................................................50
3.4.1 Phân loại bộ nghịch lưu.................................................................................50
3.4.2 Phương pháp điều khiển các khóa công suất trong bộ nghịch lưu nguồ n áp 51
3.4.3 Phương pháp điề u khiể n khóa công suấ t trong bô ̣ nghich

̣ lưu nguồ n dò ng ..54
Chƣơng 4: MÔ HÌ NH HÓA & MÔ PHỎNG
4.1 Sơ đồ kết nối máy phát điện gió vào lưới điện phân phối. .................................59
4.1.1 Khố i tubin gió và máy phát. ..........................................................................59
4.1.2 Khối chỉnh lưu: .............................................................................................62
4.1.3 Khối nghịch lưu: ...........................................................................................63
4.1.4 Khối lưới điện phân phối ..............................................................................63
4.1.5 Khối điều khiển .............................................................................................64
4.1.5.1 Nguyên lí hoạt động của khối MPPT......................................................65

Page vii


4.1.5.2 Khối PI_V ...............................................................................................68
4.1.5.3 Khối PLL.................................................................................................69
4.1.5.4 Khối DC/AC ...........................................................................................69
4.1.5.5 Khối điều khiển Hysteresis ( điều khiển bang-bang ) .............................70
4.2 Kết quả mô phỏng. ..............................................................................................70
4.2.1 Kết quả mô phỏng khi vận tốc gió khơng thay đổi .......................................71
4.2.1.1 Khi vận tốc gió đạt 5 m/s ........................................................................71
4.3 Nhận xét và đánh giá ...........................................................................................91
Chƣơng 5: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁ T TRIỂN
5.1 Các vấn đề được thực hiện trong luận văn: .........................................................93
5.2 Đề nghị và các hướng phát triển của luận văn. ...................................................93
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................95

Page viii


Thiết kế bộ nghịch lưu cho máy phát điện đồng bộ

năng lượng gió cơng suất nhỏ hịa lưới điện quốc gia

GVHD: TS. Lê Chí Kiên

1.1 Đặt vấn đề
Nguồn năng lượng mà chúng ta sử dụng ngày nay chủ yếu là năng lượng hóa
thạch như: than đá, dầu mỏ, các sản phẩm từ dầu mỏ, khí thiên nhiên… Các nguồn
năng lượng này là hữu hạn, nó chỉ có thể đảm bảo cho nhu cầu về năng lượng của
chúng ta trong một thời gian nhất định. Do đó, càng ngày người ta càng lo ngại về
một cuộc khủng hoảng năng lượng có thể xảy ra làm thay đổi nền văn minh của lồi
người, bởi vì thế giới vẫn cịn đang phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu hóa thạch. Dầu,
than đá và khí đốt chiếm khoảng 75% nhu cầu năng lượng thế giới, mỗi ngày trên
thế giới sử dụng đến 80 triệu thùng dầu. Và đương nhiên trong tương lai nhu cầu
toàn cầu về dầu hỏa sẽ vượt xa khả năng cung cấp. Từ năm 1985, tốc độ khai thác
dầu và tiêu thụ đã vượt xa tốc độ khám phá trữ lượng dầu mới. Cơng ty BP dự đốn
rằng với tốc độ sử dụng như hiện nay, thì chỉ trong vịng 40 năm nữa sẽ cạn kiệt
nguồn dầu hoả. Mặt khác, sử dụng nguồn năng lượng hóa thạch để lại nhiều hậu quả
về ô nhiễm môi trường, gây ra hiệu ứng nhà kính, góp phần làm gia tăng nhiệt độ
trái đất…
Để giải quyết các vấn đề này, một mặt chúng ta phải khai thác và sử dụng các
nguồn năng lượng hóa thạch này một cách hợp lý, mặt khác chúng ta phải tìm ra các
nguồn năng lượng khác để thay thế. Thế giới đang tìm kiếm các nguồn năng lượng
tái sinh có thể cung cấp năng lượng một cách bền vững trong tương lai, nguồn năng
lượng ấy có thể kể đến như: năng lượng gió, năng lượng sinh khối, năng lượng mặt
trời… hoặc là nguồn năng lượng tái sinh khác. Trong đó cơng nghệ về năng lượng
gió đang được thế giới chú trọng phát triển để khai thác. Các chính phủ đã đón nhận
các công nghệ này một cách hết sức nghiêm túc và đưa ra các mục tiêu đầy tham
vọng cho sản lượng điện tạo ra từ các nguồn năng lượng tái sinh trên. Người dân
ngày càng ý thức về sự tàn phá và ô nhiễm môi trường từ các nguồn nhiên liệu hoá
thạch và năng lượng hạt nhân. Trong khi các nguồn năng lượng tái sinh có thể khai

thác tự do và khơng bao giờ cạn kiệt. Năng lượng gió là một nguồn năng lượng sạch
có thể thay thế các nguồn năng lượng truyền thống. Các ứng dụng của nó tại các
nước phát triển giúp làm giảm hiệu ứng nhà kính và giữ gìn được các nguồn năng

HVTH: Hồng Văn Bình
Page 1


Thiết kế bộ nghịch lưu cho máy phát điện đồng bộ
năng lượng gió cơng suất nhỏ hịa lưới điện quốc gia

GVHD: TS. Lê Chí Kiên

truyền thống đang cạn kiệt. Các quốc gia đã và đang phát triển đều xem năng lượng
gió là nguồn năng lượng lý tưởng phù hợp với xu hướng phát triển mới của nhân
loại, được ưu tiên đầu tư hàng đầu trong các chính sách về năng lượng. Khi sử dụng
năng lượng gió có những thuận lợi như sau :
- Giảm hay thay thế việc xây dựng các nhà máy điện truyền thống dùng năng
lượng hóa thạch.
- Không gây ô nhiễm môi trường khi turbine vận hành sản xuất điện năng.
- Là nguồn năng lượng không bao giờ cạn kiệt.
- Dễ dàng tăng thêm công suất khi cần thiết.
- Việc lắp đặt và xây dựng các turbine gió tương đối nhanh.
- Mặc dù năng lượng gió hiện nay có giá đắt hơn nhiều so với nguồn năng lượng
truyền thống, nhưng nó khơng bị ảnh hưởng bởi giá nguyên liệu và sự gián
đoạn cung cấp.
- Ở các nước phát triển nhà nước hỗ trợ về thuế và các ưu đãi khác.
- Tạo ra nhiều công ăn việc làm hơn so với các nhà máy năng lượng khác, khi
cùng sản xuất ra một đơn vị năng lượng. Số người làm việc cho các trung tâm
năng lượng gió trên khắp thế giới khoảng 100000 cơng nhân. Một Megawatt

điện gió cần từ 2.5 – 3.0 nhân công làm việc.
- Các turbine gió mang lại nhiều lợi ích kinh tế cho nơng dân và các chủ đất từ
nguồn thu cho thuê đất nơi đặt các máy phát điện gió, mà khơng làm ảnh hưởng
đến việc canh tác ngay trên mảnh đất đó.
- Cơng nghệ năng lượng gió có thể thay đổi cho nhiều ứng dụng có cơng suất từ
nhỏ đến lớn. Thời gian từ khi khảo sát đến lắp đặt và vận hành ngắn và có
những thuận lợi khác mà các nhà máy điện kiểu truyền thống không làm được.
Hiện nay năng lượng gió ở Việt Nam với lợi thế bờ biển trải dài 3260 km và
gần 3000 hòn đảo lớn nhỏ rất có tiềm năng, theo đánh giá của Ngân hàng thế giới
thì tiềm năng về năng lượng gió của Việt Nam so với các nước trong khu vực là
tương đối khá, nhưng so với thế giới thì vẫn thấp. Việc khai thác năng lượng gió ở
Việt Nam cịn rất hạn chế, một phần là do nhà nước chưa có chính sách hỗ trợ thích

HVTH: Hồng Văn Bình
Page 2


Thiết kế bộ nghịch lưu cho máy phát điện đồng bộ
năng lượng gió cơng suất nhỏ hịa lưới điện quốc gia

GVHD: TS. Lê Chí Kiên

hợp và cũng do chế độ gió ở Việt Nam là khơng cao chỉ tập trung ở một vài nơi, nên
khó phát triển trên diện rộng. Để các máy phát điện gió cỡ lớn hoạt động hiệu quả,
thì các máy này phải được đặt ở những nơi gió mạnh và năng lượng gió trên bình
diện rộng. Do vậy, với năng lượng gió ở Việt Nam sẽ thuận lợi khi dùng các loại
máy phát điện gió cơng suất nhỏ sẽ phù hợp với tiềm năng gió của Việt Nam.
Những loại máy phát điện gió cơng suất nhỏ phù hợp với các vùng ở nông thôn, các
vùng hải đảo và những vùng có tốc độ gió trung bình thay đổi nhiều.

1.2 Mục tiêu và nhiệm vụ
- Tìm hiểu và nghiên cứu về năng lượng gió.
- Tìm hiểu về máy phát điện gió cơng suất nhỏ.
- Phân tích các ảnh hưởng của việc hòa hai nguồn điện.
- Xây dựng phương trình và giải thuật để tính tốn bộ chuyển đổi năng lượng.
- Dùng phần mềm Matlab 7.0 mô phỏng khi hịa năng lượng gió vào lưới điện phân phối.

1.3 Phạm vi nghiên cứu
- Nghiên cứu khái quát về năng lượng gió.
- Nghiên cứu về máy phát điện gió cơng suất nhỏ.
- Nghiên cứu về mối quan hệ của các thơng số trong máy phát điện gió cơng
suất nhỏ.
- Nghiên cứu về mối quan hệ truyền động trong máy phát điện gió cơng suất
nhỏ.
- Nghiên cứu bộ nghịch lưu cơng suất nhỏ một pha khi hòa vào lưới điện.
- Nghiên cứu phương pháp tính tốn bộ chuyển đổi nguồn DC-AC.
- Nghiên cứu tính tốn các thơng số khi hịa nguồn năng lượng gió vào lưới điện
phân phối.
- Đưa ra mơ hình mơ phỏng khi hịa nguồn năng lượng gió vào lưới điện.

HVTH: Hồng Văn Bình
Page 3


Thiết kế bộ nghịch lưu cho máy phát điện đồng bộ
năng lượng gió cơng suất nhỏ hịa lưới điện quốc gia

GVHD: TS. Lê Chí Kiên

1.4 Phương pháp nghiên cứu

- Thu thập tài liệu liên quan đến các vấn đề nghiên cứu.
- Nghiên cứu tổng quan về năng lượng gió.
- Nghiên cứu các thông số ảnh hưởng đến máy phát điện gió.
- Nghiên cứu và xây dựng mơ hình tốn học về mối quan hệ giữa các thông số
làm ảnh hưởng đến hiệu suất của máy phát điện gió cơng suất nhỏ.
- Nghiên cứu các mơ hình hịa đồng bộ giữa hai nguồn năng lượng gió và lưới
điện. Ảnh hưởng của các thơng số khi hịa. Đề nghị mơ hình tính tốn cụ thể.
- Xây dựng mơ hình mơ phỏng việc hịa, từ đó thiết kế và thi cơng mơ hình thực
tế.
- Phân tích các kết quả nhận được và các kiến nghị.
- Đánh giá tổng quát toàn bộ bản luận văn. Đề nghị hướng phát triển của đề tài.
1.5 Điểm mới của luận văn
- Xây dựng hồn chỉnh mơ hình kết nối máy phát điện gió có cơng suất nhỏ hịa
đồng bộ lưới điện quốc gia.
- Tìm ra các thơng số ảnh hưởng đến việc hòa đồng bộ giữa hai nguồn năng
lượng gió và lưới điện quốc gia.
- Đưa ra giải thuật và chương trình mới để tính tốn bộ chuyển đổi nguồn năng
lượng gió hịa vào lưới điện quốc gia.
- Góp phần ổn định lưới điện phân phối.
- Góp phần tiết kiệm năng lượng của các hộ tiêu thụ điện cũng như cung cấp
thêm cho nguồn quốc gia một phần năng lượng.
1.6 Giá trị thực tiễn của luận văn
- Đóng góp một giải pháp quan trọng trong việc dần thay thế các nguồn năng
lượng hóa thạch bằng các nguồn năng lượng vô tận trong xu thế phát triển của
thế giới ngày nay.
- Đây là giải pháp rất khả khi để nâng cao chất lượng điện năng cho các vùng
sâu, vùng xa và xa trung tâm phụ tải. Tại các khu vực này do điều kiện địa lí

HVTH: Hồng Văn Bình
Page 4

Thiết kế bộ nghịch lưu cho máy phát điện đồng bộ
năng lượng gió cơng suất nhỏ hịa lưới điện quốc gia

GVHD: TS. Lê Chí Kiên

tự nhiên nên thường là các vùng cuối lưới điện nên điện áp không đảm bảo.
Việc dùng các máy phát điện gió là một giải pháp hữu hiệu để nâng áp cho các
vùng này.
- Nâng cao được hiệu suất cho máy phát điện gió cơng suất nhỏ,
- Làm tài liệu tham khảo và làm nền tảng để phát triển hướng cho các nghiên
cứu sau này.
- Ứng dụng rộng rãi việc sử dụng cùng lúc hai nguồn năng lượng gió và lưới
điện quốc gia cho các hộ tiêu thụ điện.
- Giúp các nhà hoạch định chiến lược về nguồn năng lượng quốc gia có thêm
một hướng mới về việc phát triển nguồn năng lượng trong tương lai.
- Sử dụng làm tài liệu giảng dạy.
- Giúp cho các nhà thiết kế các tài liệu quan trọng trong tính tốn thiết kế bộ
chuyển đổi nguồn năng lượng gió hịa vào lưới điện quốc gia.
1.7 Nội dung của luận văn
Chương 1: Giới thiệu.
Chương 2: Tổng quan
Chương 3: Khảo sát và tính tốn
Chương 4: Mơ hiǹ h hóa và mơ phỏng
Chương 5: Kết luận và Hướng phát triển

HVTH: Hồng Văn Bình
Page 5

Thiết kế bộ nghịch lưu cho máy phát điện đồng bộ
năng lượng gió cơng suất nhỏ hịa lưới điện quốc gia

GVHD: TS. Lê Chí Kiên

2.1 Tổng quan về năng lượng gió
2.1.1 Lịch sử phát triển máy phát điện gió
Hàng nghìn năm nay con người đã biết khai thác sức gió để vận hành các cỗ
máy phục vụ cho cuộc sống của mình, từ việc dựa vào sức gió để dong buồm ra
khơi cho đến vận hành các máy bơm nước hay xay ngũ cốc. Hình ảnh cối xay gió
trên những miền quê phương Tây đã trở nên tiêu biểu qua nhiều thế kỷ.

Hình 2. 1 Turbine gió đầu tiên của Charles F.Brush, Cleveland, Ohio 1888
Đến cuối thế kỷ 19 chiếc máy phát điện dùng sức gió đầu tiên ra đời, với tên
gọi là turbine-gió để phân biệt với cối-xay-gió ( biến năng lượng gió thành cơ năng).
Charles F Brush đã tạo ra chiếc turbine gió có khả năng phát điện đầu tiên trên thế
giới tại Cleveland, Ohio vào năm 1888. Giống như một cối xay gió khổng lồ có
đường kính 17m với 144 cánh bằng gỗ mỏng, Hình 2.1

HVTH: Hồng Văn Bình
Page 6


Thiết kế bộ nghịch lưu cho máy phát điện đồng bộ
năng lượng gió cơng suất nhỏ hịa lưới điện quốc gia

GVHD: TS. Lê Chí Kiên

Năm 1891 nhà khí tượng học người Đan Mạch Poul The Mule Cour xây dựng

một turbine thử nghiệm ở Askov – Đan Mạch, Hình 2.2. Turbine gió này có một rơ
to bốn cánh kiểu cánh máy bay và có trục quay nhanh hơn.

Hình 2. 2 Turbine gió của Poul la Cour, Askov, Đan Mạch năm 1897
Năm 1922, kỹ sư người Phần Lan S.J.Savonius đã cải tiến nguyên lý đẩy của
khái niệm trục đứng bằng cách thay thế cánh buồm bằng hai cốc hình trịn, Hình 2.3.
Năm 1931, kỹ sư người Pháp George Darrieus phát minh ra turbine gió trục
đứng Darrieus. Dựa vào nguyên lý kéo, turbine này có hai (hoặc nhiều hơn) cánh
mềm dạng cánh máy bay. Một đầu cánh gắn ở đỉnh và một đầu gắn xuống đáy của
trục đứng chính turbine, giống như một cái máy đánh trứng khổng lồ. Sau đó những
mẫu thiết kế được cải tiến với cánh quạt có rãnh để hiệu suất turbine cao hơn.
Năm 1950 kỹ sư Johannes Juhl, đã phát triển turbine gió 3 cánh có khả năng
phát điện xoay chiều, đây chính là tiền thân của turbine gió Đan Mạch hiện đại.
Cuộc khủng hoảng dầu hoả vào năm 1973, đã làm cho con người quan tâm trở lại
đến tính thương mại của năng lượng gió và làm tiền đề cho sự phát triển công nghệ
cao hơn tại Đan Mạch và Califonia.

HVTH: Hồng Văn Bình
Page 7


Thiết kế bộ nghịch lưu cho máy phát điện đồng bộ
năng lượng gió cơng suất nhỏ hịa lưới điện quốc gia

GVHD: TS. Lê Chí Kiên

Hình 2. 3 Turbine gió trục đứng kiểu Savonius
Tuy nhiên mãi đến những năm 1980, công nghệ turbine gió mới đủ thuận lợi
để tồn tại, xét về mặt kinh tế, để các turbine gió cỡ lớn phát điện. Hầu hết các
nghiên cứu và phát triển đều tiến hành trên turbine trục ngang, mặc dù vẫn có các

nghiên cứu sâu hơn trên mẫu thiết kế trục đứng Darrieus ở Canada và Mỹ vào
những năm 1970 và 1980, mà đỉnh cao của nó là chiếc máy với đường kính rơ to là
100m có cơng suất 4.2MW với tên gọi “Eole C” tại Cap Chat – Quebec, Hình 2.4.
Tuy nhiên nó chỉ vận hành được có 6 tháng thì hư hỏng cánh quạt, do sức chịu đựng
của cánh quạt quá kém.
Châu Âu dẫn đầu trong lĩnh vực năng lượng gió, vào năm 1982 cơng suất tối
đa của các turbine gió chỉ có 50 kW. Đến năm 1995 các turbine gió thương mại đã
đạt cơng suất lên gấp 10 lần, tức khoảng 500 KW. Trong thời gian đó, chi phí xây
dựng các turbine gió giảm đột ngột, chi phí sản xuất điện năng giảm đi một nửa.
Một số lượng lớn turbine gió từ cỡ lớn trở thành loại cực nhỏ, vì sản lượng của
chúng chỉ vài KWh/tháng. Các turbine gió ngày nay được xây dựng với kích thước
lên đến 3 MW và đường kính là 100m. Hiện nay có nhiều nhà máy sản xuất turbine
gió kích thước lớn.

HVTH: Hồng Văn Bình
Page 8


Thiết kế bộ nghịch lưu cho máy phát điện đồng bộ
năng lượng gió cơng suất nhỏ hịa lưới điện quốc gia

GVHD: TS. Lê Chí Kiên

Hình 2. 4 Turbine gió trục đứng Darrieus kiểu “Eole C” tại Cap Chat, Quebec
2.1.2 Năng lượng gió thế giới
Năng lượng gió trên thế giới hiện đang trong thời kỳ phát triển rực rỡ nhất, đặc
biệt là các Nước Cộng đồng châu Âu, công nghệ turbine gió có thể giải quyết được
các vấn đề: cạn kiệt nguồn tài ngun hóa thạch, hiệu ứng nhà kính, tn thủ các
điều khoản trong Nghị định Thư Kyoto về hiện tượng trái đất ấm dần lên.
Tổng công suất lắp đặt điện gió trên tồn thế giới tính đến cuối năm 2011 là

239.000 MW .Tính trung bình hằng năm cơng suất lắp điện gió tăng từ 20-30% qua
các năm được thể hiện trong hình 2.5
Qua bảng thống kê sơ bộ trong hình 2.6, ta có thể khái qt thực trạng về sự
phát triển năng lượng gió trong những năm gần đây. Điển hình nhất là Trung Quốc
năm 2009 chỉ đứng thứ 2 trên thế giới với tổng công suất lắp đặt 25.810MW. Sang
năm 2010 Trung Quốc vượt lên dẫn đầu thế giới và tiếp tục đứng vị trí đầu vào năm
2011 với tổng công suất lắp đặt lên tới 62.733MW bỏ xa nước thứ hai là Mỹ tới
16.000MW.

HVTH: Hồng Văn Bình
Page 9


Thiết kế bộ nghịch lưu cho máy phát điện đồng bộ
năng lượng gió cơng suất nhỏ hịa lưới điện quốc gia

GVHD: TS. Lê Chí Kiên

Với tình hình phát triển nhanh chóng như hiện nay tại các nước châu Âu, cho
thấy sản lượng của các nước này sẽ còn tiếp tục tăng. Mỹ và Canada cũng tích cực
phát triển mở rộng tăng cơng suất năng lượng gió.

Hình 2. 5 Biểu đồ cơng suất điện gió qua các năm trên thế giới
Các nước Trung Đông, Viễn Đông và Nam Mỹ cũng bắt đầu đưa năng lượng
gió vào nền cơng nghiệp năng lượng của nước mình. Hiện tại các nước này có
những dự án phát triển đến năm 2010 đạt được sản lượng là 150 GW.
Tốc độ mở rộng phụ thuộc vào mức độ hỗ trợ của chính phủ, chính quyền các
nước cũng như cộng đồng quốc tế. Đây cũng là trách nhiệm chính cho các nước
trong việc tuân thủ cắt giảm lượng khí thải Carbon Dioxide theo Nghị Định Thư
Kyoto về cắt giảm khí thải gây hiệu ứng nhà kính.

Một làn sóng cơng nghệ mới đã và đang phát triển nhanh chóng với mục tiêu
tương lai là cải thiện công suất và giảm giá thành.

HVTH: Hồng Văn Bình
Page 10


Thiết kế bộ nghịch lưu cho máy phát điện đồng bộ
năng lượng gió cơng suất nhỏ hịa lưới điện quốc gia

GVHD: TS. Lê Chí Kiên

Hình 2. 6 Cơng suất lắp đặt điện gió của 13 nước đứng đầu thế giới
2.1.3 Năng lượng gió Việt Nam và tiềm năng phát triển năng lượng gió
2.1.3.1 Năng lượng gió Việt Nam
Tiềm năng về năng lượng gió Việt Nam chỉ vào loại trung bình. Hầu hết, các
khu vực trên đất liền có năng lượng gió thấp khai thác khơng hiệu quả. Chỉ có một
vài nơi, do có địa hình đặc biệt nên gió tương đối khá tuy nhiên công suất lại không
lớn. Chỉ dọc theo bờ biển và trên các hải đảo năng lượng gió tốt hơn. Nơi có nguồn
năng lượng tốt nhất là đảo Bạch Long Vĩ, tốc độ trung bình năm đạt được từ 7.17.3m/s. Tiếp đến là các khu vực đảo Trường Sa, Phú Q, Cơn Đảo... có tốc độ gió
trong khoảng 4.0- 6.6m/s. Tuy nhiên cũng nên nói thêm rằng tiềm năng năng lượng
gió Việt Nam chưa được điều tra đánh giá đầy đủ vì phần lớn số liệu về năng lượng
gió chủ yếu chỉ thu thập qua các trạm Khí tượng Thủy văn, tức chỉ đo ở độ cao từ
10m đến 12m trên mặt đất. Chúng ta đang thiếu số liệu về năng lượng gió ở các độ
cao trên 40m. Hiện nay đang có khoảng 10 cột đo gió ở độ cao từ 30m đến 65m.

HVTH: Hồng Văn Bình
Page 11

Thiết kế bộ nghịch lưu cho máy phát điện đồng bộ
năng lượng gió cơng suất nhỏ hịa lưới điện quốc gia

GVHD: TS. Lê Chí Kiên

Hình 2. 7 Gió trung bình hàng năm ở độ cao 65 m và 30m

HVTH: Hoàng Văn Bình
Page 12


Thiết kế bộ nghịch lưu cho máy phát điện đồng bộ
năng lượng gió cơng suất nhỏ hịa lưới điện quốc gia

GVHD: TS. Lê Chí Kiên

Hình 2. 8 Gió trung bình hàng năm ở độ cao 65 m vào mùa Xuân và mùa Hạ

HVTH: Hồng Văn Bình
Page 13


Thiết kế bộ nghịch lưu cho máy phát điện đồng bộ
năng lượng gió cơng suất nhỏ hịa lưới điện quốc gia

GVHD: TS. Lê Chí Kiên

Hình 2. 9 Gió trung bình hàng năm ở độ cao 65 m vào mùa Thu và mùa Đông
Theo khảo sát gần đây nhất của IOE, Việt Nam có khoảng 31000km2 đất có
thể đưa vào khai thác năng lượng gió, trong đó có 865km2 tương đương với

HVTH: Hồng Văn Bình
Page 14


Thiết kế bộ nghịch lưu cho máy phát điện đồng bộ
năng lượng gió cơng suất nhỏ hịa lưới điện quốc gia

GVHD: TS. Lê Chí Kiên

3572MW với điện có thể được tạo ra với giá thành ít hơn 6UScents/kWh. Nghiên
cứu cũng đã minh chứng được rằng năng lượng gió sẽ là giải pháp tốt cho khoảng
300000 hộ cư dân nông thôn khơng có điện. Trong khi năng lượng gió có thể mang
đến những lợi ích về mơi trường, kinh tế, xã hội… Nhưng hiện nay lượng điện năng
khai thác từ gió gần như là con số không. Nhà nước cũng chưa có chính sách hỗ trợ,
khuyến khích nào cho năng lượng gió. Vì vậy, nhiệm vụ ưu tiên hàng đầu hiện nay
là đặt mục tiêu cho phát triển năng lượng tái sinh và để tìm tịi nghiên cứu cơng
nghệ mới phù hợp với Việt Nam.
Theo số liệu của Ngân Hàng Thế Giới khảo sát năm 2000 thì Việt Nam do
điều kiện địa lý và thời tiết giữa các vùng là khác nhau nên tốc độ gió trung bình và
chiều gió có sự khác nhau:
- Vùng Tây Bắc Việt Nam (Lai Châu, Điện Biên Sơn La) có vận tốc gió trung
bình hàng năm khoảng từ 0.5 – 1.9m/s.
- Khu vực miền núi phía Bắc (Cao Bằng, Lạng Sơn, Sa Pa) có vận tốc gió trung
bình cao hơn, nhưng cũng chỉ khoảng từ 1.5 – 3.1m/s, vận tốc cực đại trung
bình khoảng trên 40m/s.
- Đồng Bằng Bắc Bộ (Tam Đảo, Hà Nội) có vận tốc gió trung bình khoảng 2.0
– 3.5m/s. Vận tốc trung bình cực đại trên 35m/s.
- Vùng bờ biển từ Móng Cái tới Hịn Gai, Phú Liên, Thanh Hóa, Vinh, Đồng
Hới có vận tốc gió trung bình tăng, khoảng 2.0 – 4.0m/s. Cực đại trên 50m/s.

- Vùng bờ biển từ Huế tới Tuy Hòa (Huế, Đà Nẵng, Quảng Ngãi, Quy Nhơn,
Tuy Hịa) có vận tốc gió trung bình khá ổn định khoảng 3.0 - 5.0m/s. Cực đại
trên 35m/s.
- Vùng bờ biển từ Nha Trang tới Rạch Giá (Nha Trang, Phan Thiết, Vũng Tàu,
Phú Quốc, Rạch Giá) có vận tốc trung bình 2.4 – 6.1m/s, cực đại trên 30m/s.
- Vùng Đồng Bằng Sơng Cửu Long (Thành phố Hồ Chí Minh, Cần Thơ, Cà
Mau) có vận tốc gió trung bình khoảng 2.2 – 4.0m/s, cực đại 26m/s.
- Tây Nguyên (Đà Lạt, Pleiku) có vận tốc gió trung bình khoảng 2.4 – 4.5m/s,
cực đại 24m/s.

HVTH: Hồng Văn Bình
Page 15


Thiết kế bộ nghịch lưu cho máy phát điện đồng bộ
năng lượng gió cơng suất nhỏ hịa lưới điện quốc gia

GVHD: TS. Lê Chí Kiên

Những dự án năng lượng gió đã và đang triển khai tại Việt Nam: nhà máy phát
điện sức gió đầu tiên ở Việt Nam phải kể đến là nhà máy đặt tại huyện đảo Bạch
Long Vỹ, TP Hải Phịng. Cơng suất 800KW với vốn đầu tư 0.87 triệu USD (14 tỉ
đồng). Như vậy, với giá bán điện 0.05USD/KWh (750VNĐ/KWh) thì thời gian
hồn vốn là 7 - 8 năm. Thực tế cho thấy, mặc dù trong năm 2005, đã có 3 cơn bão
lớn, tốc độ gió đều vượt qua cấp 12 nhưng turbine gió - phát điện vẫn vận hành an
tồn. Nhà máy điện gió thứ 2 của cả nước đặt ở huyện đảo Lý Sơn (Quảng Ngãi)
vận hành bằng sức gió, có kết hợp máy phát điện diesel với tổng công suất 7MW,
tổng vốn đầu tư gần 200 tỷ đồng. Dự án được chia làm 3 giai đoạn: giai đoạn 1
được thực hiện trong hai năm 2007 và 2008 có cơng suất 2.5 MW, vốn đầu tư 80 tỷ
đồng cung cấp cho 4000 hộ dân với gần 20000 nhân khẩu. Giai đoạn 2 nâng công

suất lên 5MW thực hiện trong các năm 2008 -2009 và giai đoạn 3 được thực hiện
trong các năm 2009 - 2012 sẽ cơng suất lên trên 10MW.
Nhiều dự án điện gió rất lớn với mục tiêu hòa vào lưới điện quốc gia vẫn đang
được xúc tiến. Dự án xây dựng Nhà máy phong điện 3, tại khu kinh tế Nhơn Hội,
tỉnh Bình Định với tổng vốn đầu tư hơn 35.7 triệu USD. Theo thiết kế, nhà máy
được đầu tư xây dựng toàn bộ 14 turbine, 14 máy biến áp đồng bộ cùng các trang
thiết bị và dịch vụ kèm theo. Sản lượng điện hằng năm của nhà máy hoà vào lưới
điện quốc gia đạt khoảng 55 triệu kWh sau khi nhà máy đi vào hoạt động cuối năm
2008. Hiện tại, nhà máy điện gió đang được xây dựng tại Bình Thuận với công suất
khá lớn.
Một dự án đầu tư rất lớn đang có thể trở thành hiện thực ở Việt Nam đó là xây
dựng nhà máy điện gió có cơng suất phát điện 120 MW với vốn đầu tư 120 triệu
USD (gần 2000 tỉ đồng) do tập đoàn EurOriont đầu tư chính. Để có một hình dung
về con số này, hãy so sánh với thủy điện - thủy lợi Rào Quán ở Quảng Trị, vốn đầu
tư 2000 tỉ đồng và công suất phát điện là 64 MW.
Vậy, nhìn chung các dự án điện gió có suất đầu tư 1000USD/kW, khả năng
thu hồi vốn trong vịng 10 năm, giá thành điện khơng cao 5UScents/kWh. Theo dự
báo đến năm 2010, suất đầu tư nguồn điện bằng sức gió chỉ cịn khoảng 700-

HVTH: Hồng Văn Bình
Page 16


Thiết kế bộ nghịch lưu cho máy phát điện đồng bộ
năng lượng gió cơng suất nhỏ hịa lưới điện quốc gia

GVHD: TS. Lê Chí Kiên

800USD/kW, giá thành 3.5– 4.0UScents/kWh. Với quy mơ nhỏ thì đặc biệt hữu ích
cho vùng sâu, vùng xa và hải đảo... Với quy mơ lớn thì thường được phát triển ở

những vùng trống, khô cằn ở vùng Nam Trung bộ như Quảng Ngãi, Bình Định,
Khánh Hịa, Bình Thuận...
2.1.3.2 Tiềm năng phát triển năng lượng gió cơng suất nhỏ tại Việt Nam
Việt Nam hiện vẫn còn khoảng 4.5 triệu dân, đặc biệt các hộ vùng sâu, vùng
xa, hải đảo… vẫn chưa có điện. Theo quy hoạch phát triển mạng lưới điện thì dự
kiến đến năm 2010, vẫn còn trên 1000 xã (trong tổng số hơn 9000 xã) đại diện cho
500000 hộ dân với dân số khoảng 3 triệu người vẫn chưa có lưới điện quốc gia.
Như vậy, căn cứ vào tổng quan tình hình năng lượng và xu hướng phát triển
của năng lượng gió phân tán trên thế giới mà ta đã phân tích ở trên, thì mơ hình máy
phát điện cơng suất nhỏ rất phù hợp với điều kiện Việt Nam. Sau đây là những lý do
vì sao cần phải phát triển mơ hình máy phát điện cơng suất nhỏ tại Việt Nam:
- Có thể giải quyết được ngay nhu cầu điện chiếu sáng cho một phần đáng kể
trong tổng số 4.5 triệu dân vùng sâu, vùng xa chưa có điện, đặc biệt là các cụm
dân cư độc lập mà việc hòa lưới điện sẽ rất tốn kém và lâu dài.
- Việt Nam có cả hàng ngàn km bờ biển, tập trung nhiều khu đô thị, cụm dân cư
ven biển có nguồn gió phù hợp với mơ hình máy phát điện nhỏ (vận tốc gió từ
2m/s- 6m/s). Đối tượng này nếu được khai thác tốt sẽ làm giảm áp lực đáng kể
lên lưới điện quốc gia.
- Các hộ dân cư trên hàng ngàn đảo nhỏ ngoài khơi Việt Nam, tàu thuyền đánh
cá nhỏ có thể tự chủ nguồn năng lượng cho chính mình với giá thành thấp hơn
việc dùng máy phát diesel như hiện nay.
- Chi phí đầu tư cho máy phát điện gió cơng suất nhỏ sẽ có giá thành rẻ hơn loại
dùng tấm pin mặt trời có cùng cơng suất.
- Có thể nhân rộng mơ hình và sử dụng các nguồn nhiên liệu tại địa phương.
- Dễ bảo trì, sửa chữa, thời gian sử dụng lâu hơn loại dùng tấm pin mặt trời.
- Các máy phát điện gió cơng suất nhỏ có thể hoạt động ở vận tốc gió thấp hơn
so với các máy phát cỡ lớn.

HVTH: Hồng Văn Bình
Page 17